碳材料家族再添新星。作为一种由sp杂化碳原子构成的一维线性同素异形体，卡宾（carbyne）因其卓越的机械、热学和电学性能而备受理论预测的青睐，甚至在星际介质的探寻中也扮演着重要角色（图1a）。然而，其极高的反应活性使得合成与表征面临巨大挑战。传统的“自上而下”物理方法无法控制碳链长度且产物不纯，而“自下而上”的化学合成虽能实现原子级精确控制，却不得不使用大体积的末端保护基团来稳定碳链。这些端基不仅本身会显著影响分子的电子结构，还会加长器件总长度、削弱碳链与电极的耦合，导致已报道的芳基封端模型分子导线电导率较低（通常低于10⁻³ G₀），且电导随长度增加呈指数级衰减。密度泛函理论计算表明，用苯基封端五炔链会加剧键长交替（图1b）。

针对这一长期困境，利物浦大学Andrea Vezzoli教授和西澳大学Paul J. Low教授合作，研究团队通过转金属化反应，将金(I)配合物保护的线性碳链前驱体原位转化为直接与金电极共价键合的Au|Cₙ|Au单分子结器件（图1c）。利用扫描隧道显微镜裂结技术，他们成功表征了完全无末端保护基团的、长度可控（碳原子数最高达16个）的一维碳原子链的电荷输运特性。结果显示，较短的碳链表现出类似聚炔的半导行为，电导随长度增加而衰减；而更长的链（C₁₂及以上）则展现出向累积烯结构演化的证据，键长趋于均等化，电荷输运效率显著增强，实现了接近弹道输运的金属性行为。相关论文以“Charge transport through linear carbon atomic chains”为题，发表在Nature Chemistry上。

图1 | 本研究的范围与原理。 a，分子导线示例，其结构中包含线性碳原子链，采用芳基封端单元以赋予比相应氢封端聚炔更好的实验室稳定性。当R = 3,5-二叔丁基苯基时，已合成了包含多达48个碳原子的、可在实验室稳定存在的吡啶基封端聚炔。 b，对十碳五炔衍生物 Ph(C≡C)₅Ph 和 H(C≡C)₅H 中相邻碳原子间键长的DFT计算。用苯基部分封端五炔链会加剧键长交替。 c，我们的器件制备方法，基于从金(I)前体1(n)（其中n是碳链中的碳原子数，即 n = 2m + 2）到金(0)电极的转金属化反应，形成Cₙ器件，伴随的电荷转移（例如通过d-π*反馈，这对更长的碳链更为重要）促进了均等化的累积烯结构。 

在电导测量中，研究者发现除C₁₄和C₁₆外，大多数前体分子在形成分子结时会出现多个电导特征峰。通过分析二维电导-位移密度图并与分子长度相关联，这些特征被归因于单分子结（单体）以及在针尖回撤过程中形成的、由金原子簇桥连的寡聚体结（二聚体、三聚体）。例如，C₈的密度图中清晰可见单体和二聚体特征（图2a），而C₁₂同样显示出类似的多重结构（图2b）。对于最长的C₁₆链，其密度图及电导直方图显示仅存在单体特征，更长的寡聚体信号已低于仪器噪声水平（图2c、d）。

图2 | STMBJ电荷输运测量。 所有测量均在200mV偏压下进行，目标Cₙ在苯甲醚中的浓度为250μM。关于更多细节、实验参数和数据分析协议，请参阅补充信息。 a,b，由C₈ (a)和C₁₂ (b)碳链形成的结的示例二维密度图。存在多个电导特征，归因于通过目标分子线的单体(M)和二聚体(D)的输运。在较短的C₄和C₆链中也可见三聚体(T)结（详见补充信息）。 c,d，C₁₆的电导直方图(c)和二维密度图(d)，注意到在这种情况下，仅可见单体碳链的电导特征，二聚体的电导特征落在仪器的噪声水平之下。 e，本工作中测量的Cₙ链中电导与sp杂化碳原子数的关系。 f，裸碳原子链（本工作，红色）的电导与已报道的芳基封端聚炔研究值的比较，这些聚炔通过配位界面结合（二甲基二氢苯并噻吩 Au-S(R)，吡啶基 Au-Py，以及3,5-双(3,5-二叔丁基苯基)吡啶基 Au-Py**）。在图e和f中，n = 2x。未能确定C₄单体的可靠电导值。 

进一步分析单体Au|Cₙ|Au结的电导随碳原子数的变化规律，揭示了一个异常行为：在C₄到C₁₀范围内，电导随长度衰减极为平缓（衰减因子β ≈ 0.09 Å⁻¹）；但从C₁₀到C₁₂，电导不降反升，并在C₁₂至C₁₆区间基本保持恒定（图2e）。这一趋势与经典的隧穿输运模型相悖，但与传统芳基封端聚炔的电导-长度关系形成鲜明对比（图2f）。研究团队通过紧束缚模型计算得到合理解释：当碳链长度增加且直接接触金电极这一巨大电子库时，电荷转移效应（如d-π*反馈）促使碳链的键长交替减小，从聚炔型向累积烯型转变，能隙急剧缩小，从而大幅提高了零偏压透射系数（图3a、b）。模型计算显示，在键长交替参数降至0.04 Å时，计算电导在C₁₀之后趋于平稳，与实验观测结果高度吻合（图3c）。

电流-电压特性测量为这一转变提供了进一步证据。C₈和C₁₀表现出典型的半导体I-V曲线，窗口宽且电流水平较低；而C₁₂在相同偏压下能承载更高电流，且C₁₂至C₁₆的I-V响应在更低偏压下便开始偏离线性欧姆行为，向准线性的金属性行为演化（图3d）。C₁₀和C₁₆的I-V二维密度图直观展示了这种从半导体型向金属型输运的转变（图3e、f）。C₁₆器件在1V偏压下可承载超过40 µA的超高电流（约0.6 G₀），创造了非金属纳米结构在超过2 nm距离上的高电流记录。

图3 | 理论建模与I-V特性。 a，用于理论计算的单体（顶部）和二聚体（底部）结的示意图。 b，通过单体结的透射函数T(E)随碳链长度和BLA减小（即朝向累积烯结构演化）的变化。 c，作为链中碳原子数函数的计算电导值。在BLA模型（BLA = 0.04 Å，表示向累积烯结构演化）中，电导在C₁₀之后趋于平稳，与实验观测结果非常吻合。 d，从C₈、C₁₀、C₁₂和C₁₆的结中提取的I-V曲线示例（每条曲线代表一个主峰值的平均值，误差条表示分布的标准偏差，通常为±1 s.d.）。 e,f，C₁₀ (e)和C₁₆ (f)的I-V二维密度图。 

表面增强拉曼光谱则从振动结构层面直接证实了这一转变。随着碳链增长，前体分子1(n)的粉末拉曼光谱中对应于聚炔结构的α和β特征峰发生红移（图4a）。而在转金属化至金纳米颗粒后，SERS光谱中不仅出现了表征Au-C强键合作用的蓝移信号，更重要的是，长链（如C₁₆）在约1880 cm⁻¹处出现了一个清晰且强度超过聚炔模的宽峰，该峰正是准累积烯结构的特征拉曼信号（图4b、c）。作为对照，使用硫代苯甲醚封端的八碳四炔分子进行相同实验，其SERS光谱几乎未显示任何谱峰展宽或红移，凸显了无封端碳链在直接接触金属电子库时独特的电子结构演化（图4d）。

图4 | 拉曼（785 nm）表征。 a,b，前体1(n)的粉末拉曼光谱(a)和Cₙ系列在转金属化到金纳米颗粒上后，在1700–2650 cm⁻¹区域的SERS光谱(b)。图a中的虚线追踪了ECC模式在1(n)系列中的演变，而图c中ECC带的聚炔和累积烯区域分别以灰色和黄色阴影表示。 c，在1700–2300 cm⁻¹窗口内粉末拉曼和SERS光谱的直接比较。 d，硫代苯甲醚封端的类似物2（结构如图所示）的SERS和粉末拉曼光谱比较。对应于ECC聚炔模式和苯基(Ph)呼吸模式的信号用箭头标出。图a–c中的光谱已根据激光强度归一化。完整光谱及其他细节见补充信息。

这项研究通过巧妙的转金属化化学，成功将纯净的一维碳原子链直接连接到金属电极上，构筑了仅含金和碳两种元素的原始电子器件。实验与理论共同证明，当碳链长度超过10个碳原子这一临界值后，来自电极的电荷注入会驱动其电子结构向累积烯态（...C=C=C...）均等化，从而展现出前所未有的高效电荷输运能力。该工作不仅为在室温、开放环境中捕获和研究无端基封装的卡宾片段开辟了可行路径，更预示了基于一维碳链实现长度无关、准弹道输运的纳米电子学前景。